皮肤作为人类外在的保护屏障，在保护身体免受疾病和意外伤害方面发挥着重要作用。由于皮肤复杂的伤口修复过程和微环境，创伤修复与再生是组织工程的研究重点，亦是全球生命健康领域的难题。因此，开发人造皮肤新材料创建细胞增殖的微环境以加快伤口愈合是组织工程领域的前沿课题之一。目前，尽管人造皮肤材料，如猪皮、“软湿”水凝胶、纳米纤维支架材料等已有报道，然而在微环境的调控以及肉感人造皮肤制备方面仍然是挑战。
针对上述挑战，南京工业大学化工学院、材料化学工程国家重点实验室陈苏教授，创新性地结合静电纺丝与原位反应成膜方法将纳米纤维与凝胶复合，构筑了凝胶负载的纳米纤维肉感人造皮肤材料，该皮肤为加速伤口愈合提供了良好的微环境。首先，采用静电纺丝技术制备了疏水亲水的PCL/PCL-PCE（PCL=聚己内酯，PCE =聚柠檬酸-co-聚赖氨酸）双层纤维膜，然后在疏水的PCL纤维膜表面原位反应形成亲水的凝胶层，从而获得了凝胶负载疏亲水纳米纤维人造皮肤材料。它不仅具有水凝胶和纳米纤维的透气性好、机械强度高、抗菌性能好、相容性好等优点，而且在外观、质地、功能等方面与真实皮肤相媲美。该水凝胶负载的疏水-亲水纳米纤维具有吸水-传输能力，即内层水凝胶层有利于吸水，而疏水(中间层)-亲水(外层)纳米纤维支架形成泵效应，利于水传输。因此，该肉感人造皮肤具有体液管理能力，可以在创面处建立良好的微环境，大大加快创面愈合。该工作提出了一种静电纺丝-反应涂膜方法，可以精确实现成分控制与微结构调控，为微环境适宜、功能优越的肉感人造皮肤开辟了新的途径。这项研究成果于近日发表在国际重要刊物《Advanced Healthcare Materials》上 (Robust Gradient Hydrogel-Loaded Nanofiber Fleshy Artificial Skin via A Coupled Microfluidic Electrospinning-Reactive Coating Strategy, Advanced Healthcare Materials, 2023, DOI: 10.1002/adhm.202304321)。南京工业大学李晴副教授为第一作者。南京工业大学陈苏教授为通讯作者。该课题得到了国家自然科学基金面上项目、江苏省高校优势学科建设工程等基金的资助和支持。
图1. 肉感皮肤制备与应用示意图。(a) GA-CMCS水凝胶制备路线示意图。(b) 静电纺丝-反应涂膜方法制备水凝胶负载的亲水-疏水纳米纤维支架示意图。(c) 伤口愈合过程的示意图。
图2. 水凝胶负载纳米纤维支架的表征。(a) 负载水凝胶的纳米纤维支架的SEM图像和荧光图像。(b) 外层亲水性PCL-PCE层、疏水性PCL层和内层水凝胶层的微观结构。(c) 水凝胶在各种基材上的粘附性能。(d) 照片显示与真实皮肤相当的肉质特征和厚度 (GA含量为5wt %)。PCL-PCE/PCL纳米纤维层和水凝胶负载纳米纤维支架材料：(e) 吸水能力，(f) 透气性，(g) 机械强度。
图3. 水凝胶负载纳米纤维支架的吸收传输特性。(a) 水在纤维膜和凝胶层上的扩散照片。(b) 水凝胶负载的纳米纤维支架从内层到外层的单向水传输特性。(c) 从凝胶层到纤维层的水传输照片。(d) 水传输机制示意图。疏水纳米纤维基质的毛细力(Fc)阻挡液滴并抑制其湿润(左图)。凝胶基纳米纤维网络的毛细力(Fc)和润湿力(Fw)允许液滴通过多个接触点传输(右图)。
图4. 水凝胶负载纳米纤维支架的抗菌性能和生物相容性。(a) GA和EPL的抗菌机制示意图。(b) 两层PCL-PCE/PCL和水凝胶负载的纳米纤维支架(GA含量分别为1、3、5 wt%)孵育后金黄色葡萄球菌和大肠杆菌的扫描电镜图。标尺尺寸为1.2 μm。(c) 四种不同样品中活细胞/死细胞的荧光图像。标尺尺寸为80 μm。(d) 不同样品孵育24 h后的细胞活性。数据以平均值±SD表示。条形图表示标准误差，n = 3
图5. 小老鼠伤口愈合分析。(a) 左图：PBS、单层PCL和PCL-PCE纳米纤维层、PCL/PCE-PCL纳米纤维双层支架、水凝胶和三层水凝胶纳米纤维支架处理伤口0，5，9和14天的照片(比例尺= 1mm)。右图：伤口愈合过程随时间的可视化图像。蓝色:0天，绿色:5天，粉色:9天，红色:14天。(b)六组创面大小与时间的定量分析。数据以平均值±SD表示。条形图表示标准误差，n = 3。(c) 水凝胶负载纳米纤维与商业伤口敷料的伤口闭合率对比。(d) 六组肉芽生长的显微镜图像。(e) 六组肉芽生长厚度定量分析。数据以平均值±SD表示。条形图表示标准误差，n = 3。
图6. 愈合过程组织分析。(a-d) PBS、单层PCL和PCL-PCE纳米纤维层、PCL/PCE-PCL纳米纤维双层、水凝胶和三层水凝胶负载的纳米纤维支架处理伤口的光学照片。(a) HE染色，(b) CD68染色，(c) α-光滑染色，(d) Masson染色。图b-d中的比例尺为20 μm。(e) m2型巨噬细胞数量定量分析。(f) 血管数量的定量分析。数据以平均值±SD表示。条形图表示标准误差，n = 3。
原文链接：
https://doi.org/10.1002/adhm.202304321
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